DE2847296C3 - Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Meßkopfes an Mantelthermoelementen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Meßkopfes an MantelthermoelementenInfo
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Description
Herstellung eines gekapselten Meßkopfes an Mantelthermoelementen, bei denen aus einem metallischen
Werkstoff gefertigte Thermoschenkel unter Zwischenschaltung eines Isolators in einem äußeren Metallmantel
eingebettet sind, wobei mittels am meßkopfseitigen Ende aus dem Metallmantel herausragender Endabschnitte
der Thermpschenkel eine Theimoperle elektrisch oder autogen hergestellt wird.
Es sind Mantelthermoelemente mit offenem und geschlossenem Meßkopf bekannt Bei ersteren wird der
Metallmantel nur bis kurz vor die Meßstelle geführt, die Thermoperle aber frei auf der Unterlage durch
Schweißen, Löten, Zementieren oder Kleben befestigt Die Abdichtung des hygroskopischen Isolators erfolgt
durch Klebestoffe auf Epoxid-Poliamid- oder Silikon-
harzbasis. Nach Überschreiten der dafür zulässigen Grenztemperaturen (meist zwischen 300 und 350° C)
fällt dieser Schutz aus. Meßfehler bis hin zum vollständigen Ausfall der Geber sind die Folge. Ein
Schutz vor aggressiven Medien ist nicht oder nur stark
eingeschränkt gegeben. Diesen vermitteln Mantelthermoelemente, bei denen die Spitze verschweißt und die
Thermoperle integraler Bestandteil des Meßkopfes ist Sie besitzen aber, auch in der Ausführung mit ovalem
Querschnitt, nur eine linienförmige Kontaktzone zum
*s Untergrund. Die Meßperle liegt zudem um den halben
Rohrdurchmesser bzw. die kleinere Halbachse der Ellipse von der eigentlichen Meßstelle entfernt Bei
Messungen mit großem Temperaturgradienten in der wandnahen Grenzschicht oder hohen Strömungsgeschwindigkeiten
am Mantelthermoelement selbst treten Verfälschungen der Ausgangssignale auf. Zudem können
diese marktüblichen Mantelthermoelemente nur mit größeren Schwierigkeiten und unter erheblicher
Gefährdung des Meßelementes direkt mit der Unterlass ge durch Punktschweißen verbunden werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu Bekanntem vorgebrachten Nachteile zu beseitigen und
ein Verfahren zu schaffen, mi', dem Meßköpfe von Mantelthermoelementen speziell für Oberflächen- und
e° Wandtemperaturmessungen einfacher und billiger,
zugleich aber mit verbesserten Eigenschaften bezüglich
werden können.
Hch durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1
enthaltenen Merkmale.
Die Erfindung schafft durch Vergrößerung der Kontaktfläche und gegebenenfalls Anpassung an die
Form des Untergrundes ein günstiges Verhältnis von meßstellenabgewandter Fläche zu meßstellenaufliegender
Fläche, Es sind Werte bis fast herunter auf den theoretischen Wert von 1,0 möglich. Die dabei
entstehenden guten Wärmeübergangsbedingungen haben, zumal auch die Thennoperle selbst aus der
Symmetrielinie und damit näher an die Auflagefläche gerückt ist, neben einer erhöhten Meßgenauigkeit eine
deutliche Verkürzung der Ansprechzeit zur Folge. Die Meßköpfe können zudem ohne Gefährdung der ι ο
Thermoperle direkt mit der Unterlage, bevorzugt durch Mikropunktschweißen, verbunden werden. Ihre Herstellung
in beliebigen Größen aus laufender Meterware ist in jedem halbwegs dazu eingerichteten Labor, bei
Inkaufnahme gewisser Einschränkungen sogar unter Freifeldbedingungen möglich.
Bezüglich vorteilhafter Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes
wird auf die Patentansprüche 2 bis 9 verwiesen.
Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigt
F i g. 1 ein in Längsrichtung teilweise aufgeschnittenes
Mantelthermodrahtende mit ungekapselter Thermoperle,
F i g. 2 das Mantelthermodrahtende nach F i g. 1 unter Zuordnung einer auf das Mantelende und auf die
Thermoperle aufgepreßten und hierbei teilweise verformten Hülse,
F i g. 3 das Mantelthermodrahtende nach F i g. 1 und 2 unter Zuordnung der gegenüber Fig.2 gänzlich
verformten Hülse unter Berücksichtigung von Schweißverbindungen zwischen der Thermoperle und der Hülse
sowie am plattgedrückten Hülsenende,
F i g. 7 das in Längsrichtung teilweise aufgeschnittene und gekapselte Mantelthermoelement nach Fig.3 als
Draufsicht, worin im Rahmen des Herstellungsprozesses die Lötverbindung zwischen Hülse und Metallman*
tel verdeutlicht ist und
Fig.8 eine Variante eines in Längsrichtung teilweise
aufgeschnitten dargestellten, gekapselten Mantelthermoelements, bei dem die Thermoperle gegenüber dem
Metallmantel und der Hülse bzw. der Unterlage isoliert ist
Das verfahrensgemäß zu erstellende meßkopfseitige Ende des Mantelthermoelements besteht gemäß F i g. 1
bis 8 aus folgenden Grundelementen, nämlich einer Thermoperle 1, den Theirmoschenkeln 2, 3, einem so
Metallmantel 4, einem Isolator 5 sowie einer verhältnismäßig dünnwandigen Hülse 6, die vorzugsweise aus dem
gleichen oder einem ähnlichen Material wie der Metallmantel 4 gefertigt sein soll.
Für die Herstellung der Konfiguration nach F i g. 1 wird also zunächst von einem Mantelthermodraht
beliebigen Werkstoffs und Durchmessers die benötigte Länge abgeschnitten. Hierauf wird am meßkopfseitigen
Ende der gestrichelt wiedergegebene Abschnitt des Metallmantels 4 nebst der zu diesem Abschnitt
gehörigen Bestandteile des Isolators 5, z. B. einer MgO-Füllung, entfernt, und zwar so, daß nur zwei
Endabschnitte der beiden Thermoschenkel 2, 3 am meßkopfseitigen Ende aus dem Metallmantel 4 herausragen.
M
Aus den beiden axial aus dem Metallmantel 4 herausragenden Endabitflnitten der beiden Thermoschenkel
2. 3 wird nach herkömmlichen Methoden elektrisch oder autogen die Thermoperle t in der
gewünschten Größe hergestellt
Die Thermoperle 1 kann z. B, durch autogenes Verschweißen der beiden Thermoschenkelenden unter
Zusatz von borexhaltigem Flußmittel und Glasstaub hergestellt werden. Innerhalb der geschmolzenen
Glasschicht ist nämlich das Schweißgut vor Oxidationsund Reduktionsvorgängen weitgehend geschützt Die
Oberflächenspannung der Glashaut trägt zudem wesentlich dazu bei, daß sich die Thermoperle 1
gleichmäßig und kugelförmig ausbildet Nach dem Abschrecken werden die verbliebenen Glasreste mechanisch
entfernt
Beim Verfahren zur Herstellung des Meßkopfes wird zunächst die dünnwandige, aus gleichem oder ähnlichem
Material wie der Metallmantel 4 gefertigte Hülse 6 etwa zur Hälfte über die Thermoperle 1 und den Metallmantel
4 geschoben; hierauf wird die Hülse 6 (F i g. 2) mittels eines Preßwerkzeuges so auf die Thermoperle 1 und den
Metallmantel 4 aufgepreßt, daß dfe Hülse 6 einen omegaförmigen Querschnitt (F i g. 4 und 5) erhält und
die Perlenkontur zumindest andeutungsweise an der Hülsenaußenkontur sichtbar bleibt; bei einem sich daran
anschließenden weiteren Preßvorgang wird das dem Metallmantel 4 abgewandte, über die Thermoperle 1
hinausragende Hülsenende, der Perlenkontur folgend, entenflußartig zusammengedrückt (Fig.3 und 6);
danach wird der verbliebene stirnseitige Spalt 7 am zusammengedrückten Hülsenende dicht verschweißt
(Schweißnaht 8 — F i g. 3). Hierauf wird die Hülse 6 an deren Stirnseite, die dem Metallmantel 4 unmittelbar
benachbart ist, mit dem letzteren dicht verlötet oder dicht verschweißt (Lot- bzw. Schweißstelle 11 —
F i g. 8). Je nach auftretender Betriebstemperatur kann für diese Verlötung z. B. ein Silber- oder ein
Hochtemperatur-Nickel-Lot verwendet werden. Bei verhältnismäßig hohen Temperaturanforderungen wäre
anstelle des Lötens dem Schweißen der Vorzug zu geben.
Der geschilderte Verformungsvorgang bzw. Preß- und Drückvorgang für die Kaltverformung der Hülse 6
kann mittels einer Krimpzange durchgeführt werden, deren beide Zangenbacken entsprechend der gewünschten
Hülsenverformung ausgeformt sind.
Gemäß F i g. 3 kann die Thermoperle 1 mit der Hülse 6 z. B. durch Mikropunktschweißung (Schweißstellen 9)
endgültig und unverrückbar verbunden werden; zweckmäßig wäre erst hiernach das vorstehende Hülsenende
entenfußartig zusammenzudrücken, um die eindeutig definierte Lage der Thermoperle nicht zu gefährden. Es
wäre nämlich sonst nicht auszuschließen, daß ein Verrücken der Thermoperle ihren rückwärtigen Rand in
Kontakt mit dem Metallmantel bringt oder möglicherweise zum Ausknicken bzw. Überkreuzen der beiden
Thermoschenkel führen-kann.
Der anhand der vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte herstellbare Meßkopf ermöglicht einen
direkten Massekontakt zwischen der Thermoperle 1 und dem Metallmantel 4 bzw. dem Meßuntergrund.
Für den Fall, daß für einen elektrisch ungestörten Meßverlauf vorgesehene massefreie Thermoelemente
mit wegen einer notwendigen elektrischen Isolierung zwischen der Thermoperle und der Hülse bzw. dem
Meßuntergrund bedingter zwangsweise etwas vergrößerter Ansprechzeit erwünscht sind, kann die Thermoperle
1 in eine Zwischenisoliermasse 10 (Fig.8), z.B.
Hochtemperatur-Dehnmeßstreifenzement, getaucht werden, wobei erst nach Aushärtung der- bzw.
desselben der gleichzeitige Preß- und Drückvorgang an
der Hülse 6 zwecks Erzielung der in F i g. 8 wiedergegebenen Form durchgeführt wird.
Bei einer Verfahrensalternative zur Herstellung eines massefreien Thermoelementes soll die Hülse 6 zunächst
um den Metallmantel 4 gepreßt, hierauf die im Bereich der Thermoperle 1 liegende Zone der Hülse 6 mit einer
pulverförmigen Zwischenisoliermasse 10, z. B. aus MgO oder AI2O3 gefüllt, dann die Pulvermasse durch Rütteln,
Schleudern oder dergleichen verdichtet und erst hierauf der im wesentlichen über der Thermoperle 1 liegende
Hülsenabschnitt in die gewünschte Form gepreßt werden. Mit der Pressung dieses Hülsenabschnitts
könnte gleichzeitig die entenfuBartige Zusammendrükkung des ursprünglich von der Thermoperle 1 axial
vorstehenden Hülsenendes erfolgen. Letzteres ist jedoch nicht Bedingung, vielmehr kann zunächst der im
Bereich der Thermoperle 1 liegende Hülsenabschnitt der rcricnkuiiiüf gciiiäu νέΓίΰΓϊϊΗ üiid £Γ5ΐ hiernach diC
entenfußartige Zusammendrückung durchgeführt werden.
Im Rahmen des Verfahrens kann die Hülse 6 ferner vor dem Aufschieben auf den Metallmantel 4 mit einem
ovalen Querschnitt versehen werden. Einer gegebenenfalls stufenweisen Aufpressung der Hülse auf den
Metallmantel wäre dann der Vorzug zu geben, wenn möglichst gleichförmige Anschweißfahnen rechts und
links der Hülse erzielt werden sollen.
Variationen hinsichtlich der Größe der seitlichen Anschweißfahnen können verfahrensgemäß weiter
dadurch erzielt werden, daß die Hülse vor dem Aufschieben auf den Metallmantel mit unterschiedlichen
kann gemäß dem Verfahren eine Lötung, Hartlötung oder Schweißung (Stelle 11, Fig.7 und 8) gleichzeitig
während des Verschweißen des stirnseitigen Spaltes 7 am zusammengedrückten Hülsenende durchgeführt
werden.
Im Interesse einer wirtschaftlichen Herstellungsweise kann der den stirnseitigen Spalt 7 des zusammengedrückten
Hülsenendes betreffende Schweißvorgang (Schweißnaht 8, Fig.3) sowie der Lot- oder Schweißvorgang
(Stelle 11, Fig.7 und 8) zur Herstellung der übrigen Mantel-Hülsen-Verbindung unmittelbar beim
Verformiingsprozeß der Hülse eingeleitet werden oder
Der Nachweis für die Durchführbarkeit des Verfahrens kann z. B. bei einem Mantelthermoelement aus
Nickel bzw. Chrom-Nickel mit austenitischem Stahlmantel
erbracht werden, dessen Durchmesser I mm beträgt. Für das auf den Stahlmantel aufzupressende
Nickelröhrchen kann hierbei eine Wandstärke von 0,1 mm sowie ein Innendurchmesser von 1,2 bis 1,3 mm
zugrunde gelegt werden.
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung eines gekapselten
Meßkopfes an Mantelthermoelementen, bei denen aus einem metallischen Werkstoff gefertigte Thermoschenkel
unter Zwischenschaltung eines Isolators in einem äußeren Metallmantel eingebettet sind,
wobei mittels am meßkopfseitigen Ende aus dem Metallmantel herausragender Endabschnitte der
Thermoschenkel eine Thermoperle elektrisch oder autogen hergestellt wird, gekennzeichnet
durch folgende Merkmale:
a) eine dünnwandige Hülse (6) gleichen oder ähnlichen Materials wie der Metallmantel (4)
wird etwa zur Hälfte über die Thermoperle (1) und den Metallmantel geschoben;
b) hierauf wird die Hülse (6) mittels eines Preßwerkzeuges so auf die Thermoperle (1) und
den Metallmantel (4) aufgepreßt, daß ein omegaförmiger Hülsenquerschnitt entsteht und
die Perlenkontur zumindest andeutungsweise an der Hülsenaußenkontur sichtbar bleibt;
c) bei einem sich daran anschließenden weiteren Preßvorgang wird das dem Metallmantel (4)
abgewandte, über die Thercnoperle (1) hinausragende Hülsenende, der Perlenkontur folgend,
entenfußartig zusammengedrückt;
d) danach wird der verbliebene stirnseitige Spalt (7) am zusammengedrückten Hülsenende dicht
verschweißt; woraufhin
e) die Hülse (6) an deren Stirnseite, die dem Metallmantel (4) unmittelbar benachbart ist, mit
dem letzteren dicht verlö'^ä oder dicht verschweißt
wird (Löt- bzw. Schweißstelle 11).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse in einem Arbeitsgang
gänzlich verformt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoperle (1) zunächst mit der
Hülse (6) verschweißt und erst hiemach das vorstehende Hülsenende entenfußartig zusammengedrückt
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoperle (1) in eine
Zwischenisoliermasse (10), z. B. Hochtemperatur-Dehnmeßstreifenzement,
getaucht und erst nach Aushärtung der- bzw. desselben der gleichzeitige
Preß- und Drückvorgang an der Hülse (6) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (6) zunächst um den
Metallmantel (4) gepreßt, hierauf die im Bereich der Thermoperle (1) liegende Zone der Hülse (6) mit
einer pulverförmigen Zwischenisoliermasse (10), z. B. aus MgO oder Al2O3 gefüllt, dann die
Pulvermasse durch Rütteln, Schleudern oder dergleichen verdichtet und erst hierauf der im wesentlichen
über der Perle liegende Hülsenabschnitt in die gewünschte Form gepreßt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hülse vor dem Aufschieben auf den Metallmantel mit einem ovalen Querschnitt versehen
wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hülse vor dem Aufschieben auf den
Metallmantel mit unterschiedlichen Außen- und/oder Innendurchmessern ausgestattet wird,
8, Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lötung, Hartlötung oder Schweißung (Stelle U) gleichzeitig während des Verschweißen
des stirnseitigen Spaltes (7) am zusammengedrückten Hülsenende durchgeführt wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zur Kaltverformung der Hülse vorgesehene Krimpzange, deren
beide Zangenbacken entsprechend der gewünschten Hülsenverformung ausgeformt sind.
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